[发明专利]一种基于高性能纤维织物和泡沫的柔性防护结构

说明书

本发明公开了一种基于高性能纤维织物和泡沫的柔性防护结构，包括缓冲屏、泡沫、填充屏和后墙；缓冲屏用于破裂空间碎片，泡沫用于调节防护结构的压缩量或膨胀量，填充屏用于瓦解空间碎片云，后墙用于捕获空间碎片云，缓冲屏、泡沫、填充屏、后墙通过粘着剂依次粘连。本发明通过设计填充屏，实现了结构整体折叠压缩，便于发射，弥补了传统防护结构可靠性较低的缺陷；通过粘连泡沫，达到了结构整体的防护间距突破火箭整流罩空间限制的技术效果，显著增强了防护能力，解决了传统防护结构耗能过大且环境适应性较差的问题。

技术领域

本发明涉及一种基于高性能纤维织物和泡沫的柔性防护结构，尤其适用于航天器抵御空间碎片撞击，属于空间碎片被动防护技术领域。

背景技术

空间碎片容易造成航天器发生多种类型的损伤，损伤的种类与程度取决于航天器的大小、构型、工作时间以及空间碎片的质量、密度、速度、撞击方向等特性。撞击损伤的类型包括壁板穿孔、压力容器破裂、舷窗玻璃退化、热控性能降低和密封舱泄漏。

针对空间碎片的撞击威胁，航天工程通常的做法是：首先对航天器的空间碎片撞击风险进行评估，进而采取一定的防护措施提高航天器抵御空间碎片撞击的能力，防护措施包括调整航天器布局、更改飞行姿态、采用防护能力强的材料、增设专门的防护结构。对于长期在轨的载人航天器，一般综合采用上述措施来提高航天器在空间碎片环境中的生存能力。其中，专门防护结构是非常有效的防护手段，也是国际空间站和其他大型低轨长期运行的航天器惯用的防护措施。

现有技术中，常规的专门防护结构为Whipple防护结构和填充式防护结构。Whipple防护结构的原理如下：粒子撞击缓冲屏后产生激波，如果粒子撞击速度足够高，形成的反射激波强度足够大，就可能使撞击粒子破碎、液化直至汽化，并形成碎片云，从而将撞击能量分散到更大面积的后墙上，进而消除或减少粒子对后墙的损坏；后墙捕获碎片云，保护航天器内部仪器设备。缓冲屏材料应具有以下特点：密度低；对弹丸(或二次碎片)具有良好的破碎能力；使碎片云产生大的扩散角；降低碎片云的撞击速度；缓冲屏本身产生的碎屑对后墙损坏威胁小。考虑到防护性能、结构刚度及防护成本的要求，外缓冲屏一般选用铝合金材料。为进一步瓦解弹丸碎片粒子，有效降低碎片云速度，国外采用在外缓冲屏和后墙中间增加填充屏，填充屏一般选取高弹性模量、高强度、低密度的纤维材料。在同等面密度下，填充式防护结构的防护能力远高于Whipple防护结构，这也是填充式防护结构(填充屏为Nextel312+kevlar)在国际空间站高风险区域得到广泛应用的原因。但目前国外所用的填充屏材料国内无法获得，因此需要选用具有优良性能的国产填充屏材料。

近年来，出现了一些新型航天器，如充气展开式航天器，其在发射前经压缩、折叠减小发射体积，入轨后充气展开形成庞大的舱体。传统的刚性防护结构不能压缩或折叠，无法满足充气展开式航天器的需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于高性能纤维织物和泡沫的柔性防护结构，通过设计填充屏，实现了结构整体折叠压缩，便于发射，弥补了传统防护结构可靠性较低的缺陷；通过粘连泡沫，达到了结构整体的防护间距突破火箭整流罩空间限制的技术效果，显著增强了防护能力，解决了传统防护结构耗能过大且环境适应性较差的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种基于高性能纤维织物和泡沫的柔性防护结构，包括缓冲屏、泡沫、填充屏和后墙；缓冲屏用于破裂空间碎片，泡沫用于调节防护结构的压缩量或膨胀量，填充屏用于瓦解空间碎片云，后墙用于捕获空间碎片云，缓冲屏、泡沫、填充屏、后墙通过粘着剂依次粘连。

在上述的一种基于高性能纤维织物和泡沫的柔性防护结构中，所述缓冲屏采用板状结构，缓冲屏由玄武岩纤维编织而成，缓冲屏的编织层数不少于三层。

在上述的一种基于高性能纤维织物和泡沫的柔性防护结构中，所述泡沫的材料采用聚氨酯，泡沫的密度不大于0.05g/cm³，泡沫的压缩率不小于80％。